Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớc bao hơi, đề xuất cải thiện chất lƣợng bằng bộ điều khiển mờ lai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

--------- --------

PHẠM XUÂN SƠN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH

MỨC NƢỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƢỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT

CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI.

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRẦN XUÂN MINH

Thái Nguyên, 2015

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, Em đã nhận đƣợc sự quan tâm rất

lớn của nhà trƣờng, các khoa, các phòng ban chức năng, các Thầy, Cô giáo và

các bạn học viên.

Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa sau đại học, các giảng

viên đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập ở trƣờng.

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy giáo Ts. Trần

Xuân Minh. Trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình

hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này.

Em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong khoa Điện, bộ

môn Điều khiển tự động hóa, trung tâm thí nghiệm của trƣờng Đại học Kỹ

thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất

để em hoàn thành luận văn này.

Mặc dù đã rất cố gắng, song do thời gian, thiết bị, trình độ và kinh

nghiệm còn hạn chế nên luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những

thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy, cô

giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa ứng

dụng trong thực tế.

Thái nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2014

Tác giả luận văn

Phạm Xuân Sơn

ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Xuân Sơn.

Sinh ngày: 16 tháng 09 năm 1970.

Nơi sinh: Tiên Tiến - Tiên Lãng - Hải Phòng.

Học viên lớp Cao học khóa K15 - chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển

và Tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại

học Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trƣờng Trung học Kinh tế - Kỹ thuật Tuyên

Quang. Địa chỉ: Trung Môn- Yên Sơn - Tuyên Quang.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số

liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn

chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ

nguồn gốc.

Thái nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2014

Tác giả luận văn

Phạm Xuân Sơn

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................ii

MỤC LỤC............................................................................................................iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HỌA. ........................vii

MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1

2. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................ 1

3. Nội dung của luận văn .................................................................................... 2

Chƣơng 1.............................................................................................................. 3

TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC

BAO HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN......................................................... 3

1.1. Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện................................................... 3

1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện .......................................... 5

1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện tuabin hơi.............................. 6

1. 2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện.......................................................................... 7

1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi................................................................................... 7

1.2.2. Các loại lò hơi............................................................................................. 8

1.2.3.Cấu tạo của lò hơi ....................................................................................... 9

1.2.4. Nguyên lý làm việc của lò hơi.................................................................. 10

1.2.5. Các hệ thống điều khiển lò hơi................................................................ 11

1.2.5.1. Lò hơi là một đối tượng điều khiển........................................................ 12

1.2.5.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi.......................................... 12

1.2.5.3. Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt........................................... 14

1.2.5.4. Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy....................................................... 15

1.2.5.5. Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi........................................................ 16

1.2.5.6. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi................................................. 16

1.3. Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh mức nƣớc bao hơi trong nhà máy

nhiệt điện............................................................................................................ 18

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

1.3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 18

1.3.2. Mục tiêu của nghiên cứu......................................................................... 18

1.3.3. Dự kiến các kết quả đạt được .................................................................. 19

1.4. Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................... 19

Chƣơng 2............................................................................................................ 20

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC

NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN.............. 20

2.1. Mô hình đối tƣợng điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi................... 20

2.1.1. Đặt bài toán .............................................................................................. 20

2.1.2. Mô tả toán học cho đối tượng trong hệ thống điều khiển mức nước

cấp bình bao hơi mô hình nhà máy nhiệt điện................................................. 22

2.1.2.1. Cấu trúc mô hình nhà máy nhiệt điện.................................................... 22

2.1.2.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao hơi.................... 23

2.1.2.3. Xây dựng hàm truyền các đối tượng của hệ thống ................................ 23

2.1.3. Hàm truyền của hệ thống ........................................................................ 38

2.1.4. Kết luận: ................................................................................................... 39

2.2. Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định mức nước cấp

bình bao hơi mô hình nhà máy nhiệt điện........................................................ 39

2.2.1. Tổng quan bộ điều khiển PID ................................................................. 39

2.2.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) ................................ 40

2.2.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số.......................................................... 43

3.1.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng ................................................................ 45

2.2.2. Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi.................................... 46

2.2.3. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab Simulink. 47

2.2.3.1. Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink .............................................. 47

2.2.3.2. Các kết quả mô phỏng............................................................................ 48

2.2.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm ................................. 49

2.2.4.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm:..... 49

2.2.4.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm:....................................................... 51

2.2.4.3. Các kết quả thực nghiệm........................................................................ 55

v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

2.2.4.4. So sánh với kết quả mô phỏng................................................................ 56

2.2.5. Kết luận chương 2..................................................................................... 56

Chƣơng 3............................................................................................................ 57

ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC

NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG

BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI................................................................................ 57

3.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ................................................ 57

3.1.1. Hệ Logic mờ ............................................................................................. 57

3.1.1.1 Khái niệm về tập mờ ............................................................................... 57

3.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ ........................................................... 58

3.1.2. Bộ điều khiển mờ [6]................................................................................ 66

3.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động........................................................................... 66

3.1.2.2 Điều khiển mờ lai.................................................................................... 67

3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai.................................................................... 71

3.2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 71

3.2.2. Mờ hoá...................................................................................................... 71

3.3. Mô phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế .................................................. 72

3.4. Kết quả mô phỏng hệ thống ...................................................................... 73

3.4.1. Sơ đồ mô phỏng........................................................................................ 73

3.4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 74

3.4.3. Đánh giá kết quả ...................................................................................... 76

3.5. Kết luận chương3........................................................................................ 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 77

1. Kết luận:......................................................................................................... 77

2. Kiến nghị:....................................................................................................... 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 78

vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

1 CO Tín hiệu điều khiển

2 MV Biến điều khiển

3 CV Biến đƣợc điều khiển

4 PM Tín hiệu đo

5 SP Giá trị đặt

6 GH Hàm truyền đạt

7 K Hệ số khuếch đại đầu ra

8 kI

, Các hệ số khuếch đại đầu vào

9 SISO Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra

10 MIMO Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.

11 SIMO Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra.

12 MISO Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra.

13 QTCN Mức nƣớc cấp bình bao hơi

14 FC fail-closed -

15 AO air-to-open -

16 FO fail-open -

17 AC air-to-close -

18 PID Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân

19 FLC Điều khiển logic mờ

20 FMRAFC

Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu

truyền thẳng

vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HỌA.

Số hiệu Nội dung Trang

Bảng 1.1 Quá trình sinh hơi 8

Bảng 2.1 Danh mục các thiết bị mô hình thực nghiệm 52

Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa năng lƣợng 5

Hình 1.2 Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy 7

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của lò hơi có bao hơi 9

Hình 1.4 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi 13

Hình 2.1 Đối tƣợng điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi 23

Hình 2.2

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quá trình một mạch

vòng

24

Hình 2.3 24

Hình 2.4 Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp 25

Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành 28

Hình 2.6 29

Hình 2.7 30

Hình 2.8 Bao hơi nhà máy nhiệt điện 32

Hình 2.9 Hệ thống lọc khí, hâm nƣớc và bơm nƣớc 33

Hình 2.10 Cơ cấu đo và hiển thị mức nƣớc dùng ống kính 32

Hình 2.11 Đặc tính động của mức nƣớc bao hơi theo lƣợng nƣớc

cấp

37

Hình 2.12 Đặc tính động của mức nƣớc bao hơi khi thay đổi lƣợng

nƣớc cấp

37

Hình 2.13 Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao hơi một tín hiệu 39

Hình 2.14 Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống 39